Dlaczego potrzebujemy węglika wolframu w betonie?

Beton jest zwykle najczęściej używanym materiałem budowlanym. Jest to przyjazny dla użytkownika, ekonomiczny, łatwy w formowaniu i wydajny materiał konstrukcyjny. Ma jednak również pewne wady, takie jak niski moduł sprężystości, mały zakres sprężystości, niska wytrzymałość na rozciąganie i zginanie oraz słaba przepuszczalność (a zatem podatna na korozję). Dlatego do wzmocnienia betonu, aby przezwyciężyć te niedociągnięcia, zwykle stosuje się metal, polimer i włókno. Konieczne jest zbadanie twardych materiałów innych niż stal, takich jak różne węgliki metali, aby wzmocnić właściwości betonu w postaci proszku i gruboziarnistych cząstek.

Węgliki metali mogą występować naturalnie i mogą być również wytwarzane jako produkty uboczne różnych gałęzi przemysłu. Jednak węgliki mają unikalne właściwości, takie jak twardość, odporność na zużycie, wytrzymałość na rozciąganie, tłumienie neutronów, odporność na ciepło i bezwładność chemiczna. Dodawane są do metali, aby kompozyty były twarde, odporne na korozję i chemikalia, a także do wytwarzania różnych narzędzi. W celu uzyskania lepszego efektu dodawania węglików do ceramiki metalowej. Naukowcy zaczęli badać te węgliki jako domieszki do betonu. Niektóre artykuły pokazują, że zastosowanie żużla powęglikowego wzdłuż SCM może zmniejszyć zużycie cementu w betonie. Inne artykuły również potwierdziły, że ten rodzaj węglika ma lepszą trwałość. Badacze wykorzystali różne formy węglików, takie jak nanocząstki, proszki, płatki czy włókna. Wielkość i kształt węglików wpływa na ich właściwości w kompozytach.

Węglik wolframu (WC) jest przydatny, ponieważ jest materiałem chroniącym przed promieniowaniem. WC w postaci nanoproszku zapewnia wyższą ochronę przed promieniowaniem i lepszą wytrzymałość na ściskanie. Ponadto ma również doskonałą odporność na zużycie, twardość i stabilność chemiczną. Ponadto WC jest materiałem ogniotrwałym odpornym na wysokie temperatury. Jest bardzo twardy, o sztywności 18 – 22 GPA i module Younga 700 GPa. Sieć WC może wytworzyć określoną plastyczność i wysoki zakres plastyczności przy zachowaniu wysokiej sztywności. Posiada wysoką odporność na korozję. WC wystawiony na działanie powietrza będzie wykazywał oznaki korozji w temperaturach przekraczających 600 °C. WC jest również pochłaniaczem promieniowania elektromagnetycznego.

WC stosuje się samodzielnie lub zmieszany z różnymi kompozytami metalowymi w celu poprawy wytrzymałości. Ze względu na swoją wytrzymałość, stabilność chemiczną, sztywność i odporność na wysokie temperatury, ten ceramiczny węglik jest również stosowany do poprawy właściwości mechanicznych różnych kompozytów. WC to odpad z węglika spiekanego, a odpadem jest również SiC.

Wolfram i węglik wolframu zapewniają doskonałe ekranowanie promieniowania gamma i absorpcję neutronów. WC ma synergiczny wpływ na zużycie i korozję kompozytów i jest stosowany do poprawy żywotności kompozytów. Naukowcy odkryli, że po dodaniu do kompozytów aluminium mieszanie węglika krzemu i węglika wolframu poprawia wytrzymałość na ściskanie, rozciąganie i odporność na zużycie, ponieważ oba węgliki są twardszymi i mocniejszymi materiałami.

W pracy przedstawiono wpływ węglików (węglika krzemu i węglika wolframu) na właściwości mechaniczne i przepuszczalność kompozytów betonowych oraz określenie ich kompatybilności z betonem. Te dwa rodzaje węglików są dodawane odpowiednio z 1%, 2%, 3% i 4% o masie cementu w betonie. Zastosowano również mieszaną kombinację 2% i 4% dwóch węglików. Badano gęstość, wytrzymałość na ściskanie, odporność na korozję i zginanie betonu.

Gęstość 

Rysunek 1 przedstawia gęstość wszystkich próbek betonu. Jak pokazano na rysunku 4 gęstość betonu wzrasta wraz ze wzrostem udziału węglika wolframu i węglika krzemu. Gęstość węglików pojedynczych i mieszanych oraz węglików mieszanych osiąga maksimum przy gęstości 4%.

Zwiększając zawartość procentową węglika wolframu w betonie, gęstość nieznacznie wzrasta. Dzięki zastosowaniu mniejszej zawartości procentowej węglika wolframu nie ma znaczącej zmiany gęstości. Jednak nadal stwierdziliśmy, że stosowanie SiC w betonie może zwiększyć gęstość. Typowa gęstość WC jest wyższa niż gęstość składu betonu. Może to być powodem, dla którego węgliki zwiększają gęstość betonu, nawet jeśli ich udział procentowy jest bardzo niski.

Rysunek 1. Gęstość próbek cementu

wytrzymałość na ściskanie

Rysunek 2 przedstawia wytrzymałość na ściskanie kompozytów z betonu karbonizowanego. Wytrzymałość betonu na ściskanie nieznacznie wzrasta wraz ze wzrostem udziału pojedynczych i mieszanych węglików do 4%. Gdy zawartość WC wynosi 4%, wytrzymałość na ściskanie wzrasta o 17%. Wzrost wytrzymałości na ściskanie można przypisać małej strukturze włóknistej WC zastosowanej w badaniach. Można wywnioskować, że małe włókno WC można porównać z włóknem stalowym pod względem wydajności i kosztów. Zazwyczaj badacze stosują zawartość włókien 1 – 3% objętości betonu. Jednak węgliki użyte w tym badaniu są dodatkami w stosunku do masy cementu; Dlatego ich ilość może być znacznie mniejsza niż zwykłych włókien. Ta metoda została zaprojektowana, ponieważ jest wygodniejsza i łatwiejsza w użyciu materiałów z pewnym procentem cementu.

Rycina 2. Wytrzymałość próbek na ściskanie po 28 dniach. 

Stwierdzono, że mieszane WC może znacznie poprawić wytrzymałość betonu na ściskanie. Może to być spowodowane tym, że węgliki tworzą lepszą powierzchnię międzyfazową, cząstki lepiej się gromadzą, pozostawiając mniej pustych przestrzeni, co skutkuje wyższą gęstością. Wzrost wytrzymałości na ściskanie można również przypisać wrodzonej wytrzymałości na ściskanie węglików jako składnika betonu.

Wytrzymałość na zginanie

Najważniejszą właściwością betonu jest wytrzymałość. Wytrzymałość betonu na zginanie jest generalnie słaba. Wytrzymałość na zginanie odgrywa bardzo ważną rolę w projektowaniu nawierzchni betonowych. Wzrost wytrzymałości na rozciąganie/zginanie jest celem, który naukowcy mają nadzieję osiągnąć. Beton o wysokiej wytrzymałości na rozciąganie/zginanie jest mniej podatny na pęknięcia i problemy z trwałością. Ponadto wytrzymałość na zginanie jest najważniejszym parametrem w projektowaniu nawierzchni betonowych. Teraz naukowcy próbują poprawić wytrzymałość na zginanie, stosując różne domieszki, włókna i inne technologie betonu nawierzchni.

Wpływ różnych udziałów procentowych węglików w betonie na jakość gięcia przedstawiono na rysunku 3.

Rysunek 3. Wytrzymałość próbki na zginanie po 28 dniach.

Dodanie pojedynczych i mieszanych węglików znacznie poprawia wytrzymałość betonu na zginanie. WC ma wysoką wytrzymałość na rozciąganie, ale jest stosowany w postaci drobnych włókien. Nawet jeśli ilość użycia jest bardzo mała, może to znacznie poprawić wytrzymałość na zginanie. Arkusze z węglika krzemu nie pozwalają na łatwe uszkodzenie pryzmatów. Zapewniają wystarczające zbrojenie, aby poprawić wytrzymałość betonu na zginanie. Chociaż WC ma wysoką wytrzymałość na rozciąganie / zginanie, nie może skutecznie przenosić naprężeń rozciągających ze względu na swój mały rozmiar (3 do 4 mm). Im wyższa wytrzymałość własna węglików, tym wyższa wytrzymałość kompozytów na zginanie. Ponadto odporność na zużycie nie pozwala na łatwe przemieszczanie się cząstek kompozytowych. To sprawia, że wytrzymałość kompozytu jest wyższa.

Mieszanka WC i innych węglików ma wysoką wytrzymałość na zginanie. WC jest zwykle mieszany z innymi metalami ze względu na efekt synergiczny. Niektórzy badacze odkryli, że WC i SiC mają synergistyczny wpływ na kompozyty. Odkryli efekt synergiczny między dwoma węglikami we wzmacnianiu kompozytów. Lepsze wyniki kompozytów WC + SiC można przypisać lepszej granicy faz i synergicznemu działaniu kompozytów węglikowych. Analiza ANOVA wykazała, że udział procentowy włókien w poprawie wytrzymałości na zginanie również potwierdził istotny wpływ dwóch procentów węglików na wytrzymałość na zginanie.

Rysunek 4. Zmienność wytrzymałości na zginanie wraz ze wzrostem procentu WC. 

Szybki test przepuszczalności chlorków 

Przepuszczalność betonu jest kluczową cechą kontrolowania innych problemów z trwałością. Większa przepuszczalność wiąże się z niższą trwałością, wyższym potencjałem korozji i innymi problemami z trwałością. Test RCPT to standardowa metoda badawcza mająca na celu określenie przepuszczalności chlorków i możliwości korozji stali. Po uzyskaniu najlepszych wyników dla 4% pojedynczych i mieszanych węglików przeprowadzono szybkie oznaczenie chlorków dla tych węglików betonu.

Rysunek 5 przedstawia wyniki RCPT poprzez porównanie średnich ładunków betonu kompozytowego i zwykłego przez samochód. Test wykazał, że minimalna opłata przeszła WC 4%.

Rysunek 5. Szybki test przepuszczalności chlorków próbek. 

Wyniki pokazują, że WC ma największą odporność na wnikanie jonów chlorkowych. Stosowany samodzielnie lub zmieszany, WC zmniejsza przepuszczalność kompozytów betonowych. WC jest bardzo gęsty i nie przepuszcza jonów. Dlatego nawet niewielka ilość WC może stanowić barierę dla przechodzenia jonów przez beton. Jednak węglik krzemu wykazuje wyższą przepuszczalność. Hybrydowe kompozyty węglikowe zmniejszają przepuszczalność dzięki efektowi synergii i lepszej gęstości.

Skaningowy mikroskop elektronowy z emisją polową

Rysunek 6 przedstawia obrazy ze skaningowego mikroskopu elektronowego z emisją polową próbek kontrolnych (a), wc4% (B – d) i sic4% (E, f).

Rys 6. Wyniki FESEM dla (a) próbki kontrolnej, (b–d) próbki WC4% oraz (e,f) SiC4%. 

Na Fig. 10B iglasty metaliczny połysk pod produktem uwodnienia pokazuje obecność wiskerów WC. Oczywiście igła przechodzi przez bardzo drobną szczelinę, aby zniwelować pęknięcie. WC nie wykazuje wyraźnych ITZ, co może być powodem, dla którego dodanie WC prowadzi do lepszej wytrzymałości. Wiskery z węglika wolframu wyglądają podobnie do litych metali i nie mają widocznych porów. WC wydaje się również przyciągać produkty nawilżające. Na ryc. 10d widać okrąg produktów uwodnienia białej soli, które mogą tworzyć się na końcu igły WC. Dobra międzywarstwa i niejasne ITZ pokazują, że WC ma lepszą kompatybilność z betonem, co skutkuje lepszą wytrzymałością. Brak wyraźnej porowatości prowadzi do niskiej przepuszczalności.

wniosek

W pracy zbadano wpływ węglika wolframu (WC), jednego z najtwardszych materiałów na ziemi, na wytrzymałość betonu na ściskanie, zginanie i przepuszczalność. Używanie samego węglika wolframu i dodanie go do 4% masy cementu w postaci mieszanej w celu wytworzenia kompozytów węglikowo-betonowych będzie bardzo dobrym wyborem.

Zwiększenie udziału węglików w formach pojedynczych i mieszanych zwiększa wytrzymałość betonu na ściskanie i zginanie. Wraz ze wzrostem wytrzymałości na ściskanie wytrzymałość na ściskanie kompozytu betonowego WC (tj. 17%) jest wyższa niż kompozytu SiC (wytrzymałość na ściskanie wzrasta o 6%). WC nadaje się szczególnie do betonu chodnikowego.

Gdy dawka wynosi 4%, przepuszczalność kompozytów WC i hybrydowych jest stosunkowo niska. Obrazy FESEM również zweryfikowały wyniki. Oczywiście zarówno wolfram, jak i węglik mogą poprawić wydajność i być kompatybilne z betonem. Jednak hybrydowe kompozyty węglikowe zapewniają efekty synergiczne poprzez poprawę wytrzymałości mechanicznej, zwłaszcza wytrzymałości na zginanie, oraz zmniejszenie przepuszczalności.

Sugestie na przyszłość

Właściwości kompozytów poprawia się bezpośrednio poprzez dodanie 4%. Oznacza to, że można zbadać wyższy procent węglika wolframu. Prace te można dalej rozszerzyć na kompozyty betonowe w celu uzyskania innych unikalnych właściwości tworzących je węglików, w tym ekranowania neutronów, kuloodpornych barier przed promieniowaniem elektromagnetycznym dla reaktorów jądrowych i drukowania 3D. Uzyskanie pozytywnych wyników może utorować drogę do produkcji cementu i betonu o specjalnych właściwościach.